一種基于電池儲能的微電網自愈協調控制策略的研究

俞　翰,舒征宇,丁紅聲,周建華（國網宜昌供電公司,湖北　宜昌　443000）

一種基于電池儲能的微電網自愈協調控制策略的研究

俞翰,舒征宇,丁紅聲,周建華
（國網宜昌供電公司,湖北宜昌443000）

本文基于微電網自愈的基本思想，提出了通過三個控制模塊協調控制使微電網具有自愈功能，從而保障重要負荷供電。一是將微電網負荷進行分類處理，不同類別負荷連接對應的三條母線，通過動作可控開關改變母線的工作狀態(tài)；二是在負荷分類的基礎上，提出相鄰微電網互為備用的方法，遵循微電網“重要負荷始終優(yōu)先供電”的原則控制相鄰微電網的母線潮流；三是基于電池儲能裝置，根據指定節(jié)點母線的功率偏差對鋰電池組的逆變器進行控制，調節(jié)電池組的輸出功率。基于以上三個模塊，制定了協調綜合控制策略。最后，通過仿真，驗證了本文提出的控制策略可以有效地提高微電網的自愈能力。

微電網自愈;負荷分類;互為備用;電池儲能;協調控制

0　　引言

隨著智能電網的建設，分布式電源廣泛接入微電網。風電等新能源具有間歇性的特點，以分散形式接入微電網可能發(fā)生功率波動，影響了微電網的供電可靠性。同時，電氣設備的隨機性故障也會造成系統的功率缺額，對負荷供電產生影響。提高微電網自愈能力可保證供電可靠性，對智能微電網建設很有意義。

使用儲能設備可以有效應對電網功率缺額，而蓄電池具有能量密度高、建設周期短和功率規(guī)模適用范圍廣的優(yōu)點，可作為系統備用和用于新能源并網發(fā)電功率平抑。電網自愈以保證負荷供電為基本目標，電網自愈控制策略主要有網絡重構和增加備用電源等。關于分布式電源接入微網，傳統研究更側重于分布式電源接入對繼電保護的影響和無功優(yōu)化等問題，沒有從系統的角度來分析微電網的功率問題和負荷供電問題。

本文從微電網整體的角度，以保證負荷供電為出發(fā)點，提出了模塊協調控制的方法，對微電網負荷進行分類并使其可控，引入相鄰微電網互為備用的思想，基于儲能電池構建了較為完整的控制體系，并制定了應對功率缺額的微電網自愈協調控制策略。最后，通過仿真對該方法進行了驗證。

1　微電網的基本結構

電網自愈控制以保證負荷供電為基本原則。為了保證負荷的供電可靠性，自愈電網首先應通過保障措施避免故障發(fā)生；其次，如果故障發(fā)生，則以不失去負荷或盡量少的失去負荷為目的。微電網實現自愈控制需要滿足兩個條件：（1）具備儲能電源;（2）電源和負荷的投切是可控的。

微電網是供電系統的最基本組成單元。電源部分主要由配電網系統電源、微電網電源（Microsouce，以風電太陽能等為主）和儲能設備（蓄電池、飛輪儲能等）組成，其中儲能設備等直流輸出電源一般都通過換流器連接微電網。微電網負荷可依據重要程度劃分等級。

2　　具有自愈功能微電網的布局規(guī)劃

2.1 微電網負荷分類

微電網作為用電系統的基本單元，將其負荷按照重要程度依次劃分為一類負荷、二類負荷和三類負荷。不同的負荷分別連接對應的母線e、f、g，重要程度

在微電網產生了功率缺額時，動作可控開關投入儲能裝置。當儲能裝置的可用容量不能彌補功率缺額時，則基于“重要負荷優(yōu)先供電”的原則，按照母線重要程度切掉較不重要的母線負荷，使微電網處于最優(yōu)狀態(tài)運行。

2.2 相鄰微電網的互為備用

當微電網產生功率缺額，而自身的儲能裝置不能滿足需求時，只能通過切除部分負荷的方式來解決。而如果考慮把相鄰的微電網作為其備用功率，則可能最大限度地減少負荷損失。假設微電網A與微電網B相連，其主母線通過可控開關相連。

通過控制開關，可以使微電網A運行在以下狀態(tài)：（1）A孤島運行；（2）A單獨與市電相連；（3）A與B、市電相連，B與市電相連；（4）A與B、市電相連，B與市電不相連；（5）A只與B相連，B與市電相連；（6）A只與B相連，B與市電不相連。

由上述分析可得如下初步結論：

（1）當A不與B相連時，A只能從市電和A的儲能電池獲取能量；當A與B相連時，A可以從市電、A的儲能電池和B的儲能電池獲取能量。顯然，A的可用功率來源增加，A的耐功率缺額能力增強。（2）相比較單個微電網而言，當A與B相連，A產生較大功率缺額時，儲能電池的可用容量不能彌補A的功率缺額，則可考慮先切除A和B的第三類負荷，而不是切除A的第三類負荷和第二類負荷，從而較為重要的A的第二類負荷可以在B的第三類負荷切除后再考慮是否切除。這樣，在電能有限的情況下，可以使較為重要的負荷優(yōu)先得到供電，實現了不同微電網之間的協同控制，增強了供電的選擇性和可控性。

3　　具有自愈功能的微電網的協調控制策略

當微電網產生功率缺額時，可以從兩方面采取措施：一是增加功率來源，二是減少功率消耗。對于前者，本文采用投入鋰電池組和從相鄰微電網獲取功率支援的方式，需要制定蓄電池組的投切控制策略。對于后者，則需要根據電網功率情況制定可控開關的動作方案。4.1小節(jié)介紹了如何根據功率偏差控制換流器從而改變鋰電池組的有功和無功輸出，4.2小節(jié)重點介紹如何單個微電網如何控制聯絡開關和鋰電池組的投切容量，4.3小節(jié)在前兩小節(jié)的基礎了提出了考慮相鄰微電網備用功率的協調控制策略。

3.1換流器的控制策略

鋰電池組控制的關鍵在于控制換流器。換流器控制一般有兩種策略：（1）PQ型換流器控制，逆變器作為一個提供給定的有功和無功功率的結點。（2）電壓源型換流器控制，逆變器用來按照設定的電壓頻率值來滿足負荷的需求。

3.2多個微電網的互為備用

圖2描述了用電網絡的構成，微電網作為基本單元，若干個微電網組成了用電網絡。這里的微電網須滿足約束條件：（1）包含一般性負荷；（2）具備微電源。等效主饋線為配電網主電源與微電網交互能量的通道。

用電網絡運行狀態(tài)方程組描述如下：

在同一等級負荷中，考慮重要性和系統平衡性對其編號，依次為。判別執(zhí)行方程如下：

4　　仿真驗證

本文選取微電網負荷有功功率總額為2.5MW，其中一類負荷0.8MW，二類負荷1.2MW，三類負荷0.7MW。單元微電網儲能裝置0.3MW，新能源接入容量1MW。

微電網因故障產生小容量功率缺額，電網電壓跌落，如圖3所示。

通過切負荷的方式，微電網損失部分負荷可以恢復穩(wěn)定運行。同樣，通過投入儲能裝置，微電網也能恢復穩(wěn)定運行。其電壓波動情況如圖4、圖5所示。

可見，發(fā)生小容量功率缺額時，可通過儲能裝置有效改善電網運行狀況，保證負荷的正常故障。

微電網發(fā)生較嚴重故障時，網絡內部的儲能設備無法滿足其功率需求，將相鄰微電網作為備用容量，投入儲能，此時仍需切除部分負荷。切除微電網A的第三類負荷和部分第二類負荷后，系統恢復正常；通過協調控制，切除微電網A和微電網B的第三類負荷，微電網電壓和頻率也得到恢復，其頻率波動分別如圖6所示。

圖中，兩條虛線表示不同切負荷方案下頻率的改善情況。在投入儲能設備的情況下，兩種切負荷方式都可以使系統頻率恢復正常。顯然，采用協調控制策略后，較重要的負荷在較大功率缺額時得到了保護，提高了供電負荷的選擇性。

6　　結論

電網故障和分布式電源波動會影響重要負荷的供電可靠性，從而造成嚴重的經濟損失和負面的社會影響。

本文基于電池儲能措施和負荷分類管理，以微電網為基本供電單位，從整個配電網的角度，利用相鄰微電網互為備用，通過靈活的開關動作，提出了一種功率缺額情況下的微電網自愈控制方案。通過仿真算例分析，該方法可以有效地提高配電網系統的供電選擇性，改善負荷的供電可靠性。該研究成果可以作為微電網規(guī)劃和自愈控制的理論基礎。

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俞翰（1983-）,碩士,工程師,主要研究方向為電力系統調度。